鐵曉艷 馬新忠 張振潮 王虎強

一、試驗目的

滾針軸承徑向結構緊湊，內徑尺寸和載荷能力與其他類型軸承相同時，外徑最小，因此特別適用于徑向安裝尺寸受限制的支承結構。又因其結構類型可選用滾針和保持架組件、滾針軸承、無內圈滾針軸承、雙列滾針軸承、雙列無內圈滾針軸承和穿孔型沖壓外圈滾針軸承、封口型沖壓外圈滾針軸承。本文以探究滾針軸承內部軸承鋼滾針與滲碳鋼套圈之間的接觸變形關系為研究目的，針對非標封口型沖壓外圈滾針軸承BK4135進行滾針靜壓試驗（如圖1所示為滾針軸承BK4135結構示意圖）。研究當其只承受徑向載荷時，滾針和套圈的變形與失效形式。通過靜壓試驗記錄滾針載荷/變形的試驗數(shù)據(jù)，從而獲得從彈性到塑性再到失效三個階段的載荷位移曲線，為滾針有限元分析所需材料特征屬性模型提供理論依據(jù)，從而為進一步研究滾針、套圈材料『生能的穩(wěn)定性奠定基礎。

二、滾針靜壓試驗

1、試驗件及附件

滾針為按照實際工藝生產的標準滾針，長11mm，直徑Ф5.38mm，表面凸度0.005，-0.015mm，材料為GCrl5，表面硬度61-65HRC。由于加載方式受限，所以采用兩塊圓餅分別替代內、外套圈與滾針接觸，并將載荷施加在上圓餅上。為保證接觸面積及試驗件剛度，圓餅直徑為Ф45min，厚度為10inln，材料為QC005，表面硬度58-64HRC，滲碳淬硬層厚度0.3-0.7mm。

為防止?jié)L針受壓崩裂時碎片飛濺，并保證上下圓餅同軸，試驗時需在滾針和圓餅外配合安裝—個限位圓環(huán)。圓環(huán)內徑46mm，外徑60mm，厚20mm。采用退火態(tài)軸承鋼加工而成，硬度197-207HB。如圖2所示為試驗滾針、試驗圓餅及試驗附件限位圓環(huán)。

2、試驗設備

如圖3所示，試驗裝置包括微機液壓萬能試驗機、電感式位移傳感器和位移信息記錄軟件。其中微機液壓萬能試驗機為加載設備，可實時測量并記錄載荷值;電感式位移傳感器可實時測量位移量;位移信息記錄軟件可記錄并保存位移傳感器測得的實時位移數(shù)據(jù)。具體型號和屬性如表1所示。

3、試驗方案

如圖4所示為試驗原理簡圖，因為試驗的目的要獲得滾針與套圈之間的載荷與變形關系，所以本試驗為準靜態(tài)壓縮試驗。試驗前需用汽油清洗滾針、圓餅和限位圓環(huán)，并用棉球蘸汽油擦拭壓頭與支座的作用平面，保證試驗件與附件表面無雜質顆粒，以免影響試驗結果。微機液壓萬能試驗機使用前需預熱一段時間，待液壓泵穩(wěn)定后操作壓頭上下移動，確定試驗機性能穩(wěn)定。本次試驗共進行20組，每組試驗包括一根滾針和2塊圓餅。試驗加載步驟具體如下。

（1）用記號筆在下圓餅平面中心放置滾針位置處進行標記，將其記號面朝上放置于底座中間位置，并將限位圓環(huán)套在下圓餅上。

（2）將滾針水平放置在下圓餅標記處，用少許膠水固定（防止?jié)L針在不經意觸碰下滾動偏斜）。

（3）在滾針上水平放置上圓餅，由于限位圓環(huán)的限制，可保持上圓餅的水平穩(wěn)定。

（4）控制試驗機壓頭下移至與上圓餅完全接觸，并產生不大于100N的初始預載。

（5）將位移傳感器觸頭調整至壓頭下平面，調整初始位移量為上差0.3998mm，位移記錄頻率調為1s/次，開始記錄位移。

（6）將加載速度調至200±100N/s，開始加載，加載過程中保持加載速度相對穩(wěn)定。

（7）當外壓載荷上升至60000N時下調加載速度至不大于100N/s。

（8）滾針發(fā)出崩裂聲時停止加載，并將壓頭上移離開上圓餅。

（9）停止位移記錄，取出2塊圓餅及已破壞滾針，觀察并保存;讀取加載及位移記錄數(shù)據(jù);清理壓頭及支座表面。然后進行下一組試驗，共進行20組試驗。

4、試驗結果

如圖5所示為靜壓試驗后的滾針及圓餅，根據(jù)其失效形式可知，由于材料特性及硬度的不同，滾針與圓餅的失效形式存在明顯區(qū)別。圓餅表面被壓出明顯的壓坑，主要為塑_生變形;而滾針則在長度方向約1/3處崩裂，呈直接脆斷的失效形式。這與非標封口型沖壓外國滾針軸承BK4135的使用工況基本相似。

對試驗載荷和位移數(shù)據(jù)進行處理，如表2所示為20組滾針靜壓試驗極限載荷和位移。可知，滾針可承受的極限載荷范圍為64.29～78.8kN，滾針與圓餅接觸對在壓縮載荷下的最大變形范圍為0.4008～0.7174mm。對這些數(shù)據(jù)進行整理分析，分別得到如圖6、圖7所示的極限載荷分布直方圖和變形量分布直方圖。

由圖6、圖7可知，極限載荷與位移均符合高斯分布的特征，即大部分結果落在中間一段范圍內，其他區(qū)域只有小概率零星分布。其中80%的極限載荷主要分布于72±4kN范圍內，80%的變形量主要分布于0.55±0.1mm范圍內。

三、試驗數(shù)據(jù)分析

1、載荷變形曲線

根據(jù)試驗機記錄的載荷/時間數(shù)據(jù)和傳感器記錄的位移/時間數(shù)據(jù)，得到20組滾針載荷/位移關系曲線，如圖8所示。由圖可知，該曲線可分為非線性曲線段、線性曲線段以及最終的滾針破壞階段。從試驗開始至變形量達到0.1～0.2mm之間時定義為非線性曲線段，如圖9即為01號滾針進行靜壓試驗時的非線性曲線段。當變形量為0.1-0.2mm之間的某一數(shù)值時，即進入線性曲線段，直至試驗結束。

對比試驗過程，可初步認為非線性曲線段對應滾針與圓餅的彈性接觸變形過程，而線性曲線段則意味著圓餅發(fā)生了望性變形。

2、擬合分析

為進一步分析試驗曲線的特性，尋找軸承鋼與滲碳鋼壓縮變形的彈性極限強度，對試驗曲線進行擬合分析。根據(jù)前述曲線特征，對曲線進行分段擬合，選取線性特征最為明顯的區(qū)間，即變形量為0.2-0.4mm之間的數(shù)據(jù)進行線性擬合。擬合方程為f2（x）=b1x+b2。擬合參數(shù)結果如表3所示，圖10所示為07號試驗結果的線性擬合結果。

由表3可知，參數(shù)b1和b2存在一定的離散性，計算其算術平均值分別為168344和-15121。

根據(jù)線性擬合結果，選取試驗結果與擬合結果偏差在5%以內的點作為非線性段/線性段轉折點，對應變形量及載荷量如表4所示。

將表4所得結果轉換成轉折點處變形、載荷值的直方圖，如圖11、12所示。

由圖11可知，轉折點處變形量結果分布范圍遍及0.12-0.22mm，跨度較大，但在0.16±0.03mm范圍內較為集中，達到試驗總數(shù)的80%。根據(jù)計算得轉折點處變形量平均值為0.1677mm。按照前述線性擬合參數(shù)取平均值，當變形量為0.1677mm時，計算昕對應載荷為13110.3N。

由圖12可知，轉折點處對應載荷量分布范圍為9-23kN，跨度很大，其中19號結果對應載荷遠大于其余試驗結果，因此判斷為不合理結果，在統(tǒng)計中剔除。通過統(tǒng)計計算，載荷全部分布在（12.5±3.5）kN范圍內。根據(jù)計算得轉折點處載荷平均值為12.98kN，與根據(jù)0.1677mm平均變形量計算所得載荷13.11kN接近。

根據(jù)軸承行業(yè)通用線接觸應力計算方法，滾針與套圈最大接觸應力通常采用如下公式簡化計算：

根據(jù)上述計算公式，當載荷為12.98kN時最大接觸應力為3979.55MPa，與GB/T4662-2012中給出的線接觸軸承徑向基本額定靜載荷對應的應力極值4000Mpa相符合，說明試驗結果合理可靠。

四、結論

本文以模擬軸承鋼滾針與滲碳鋼套圈之間的載荷與變形關系為研究目標，針對非標封口型沖壓外圈滾針軸承BK4135進行了滾針靜壓試驗，并制定了滾針靜壓試驗的試驗方法。研究了當其只承受徑向載荷時，滾針和套圈的變形與失效形式。通過對靜壓試驗數(shù)據(jù)進行載荷與變形分析，獲得了從彈性到塑性再到失效，這3個階段的載荷位移曲線，得到滾針壓碎強度范圍為64.29-78.8kN，最大變形量0.4008-0.717mm，存在一定離散型。通過線性擬合，得到了滾針與圓餅接觸變形彈性強度極限平均值為12.98kN和平均彈性與塑性變形轉折點位移為0.1677mm。為滾針有限元分析所需材料特征屬性模型提供理論依據(jù)，同時為進一步研究滾針和套圈材料性能的穩(wěn)定性奠定了基礎。